Lentes E Espelhos

LENTES E ESPELHOS

Objetivo

Em nosso primeiro laboratório de Física IV foi realizado experimentos com espelhos e lentes esféricas. Neste laboratório medimos as distâncias focais de um espelho côncavo e as distâncias focais de lentes convergentes. Exemplificamos que duas lentes convergentes de distancia focal f_1 e f_2 são equivalentes a uma única lente de distancia focal f = (f_1.f_2)/(f_1+f_2 ) , determinamos também a posição da imagem final e a sua altura.

Introdução Teórica

Espelhos

Um espelho é uma superfície muito lisa e com alto índice de reflexão de luz. Espelhos possuem formas variadas: planos e esféricos.

Espelhos Planos

Um espelho plano é uma placa de vidro cuja superfície posterior recebeu uma fina película de prata. Quando a luz incide em uma superfície deste tipo, ela é refletida regularmente. Essa regularidade da reflexão é que permite a formação de imagens.

Em um espelho plano comum, vemos nossa imagem com a mesma forma e tamanho, mas parece que encontrar-se atrás do espelho, invertida (esquerda na direita e vice-versa), à mesma distância que nos encontramos dele. Os raios que partem de um objeto, diante de um espelho plano, refletem-se e atingem nossos olhos. Assim, recebemos raios luminosos que descreveram uma trajetória angular e temos a impressão de que são provenientes de um objeto atrás do espelho, em linha reta, isto é, mentalmente prolongamos os raios refletidos, em sentido oposto, para trás do espelho.

Espelhos Esféricos

Espelho esférico é o que tem a forma de uma calota esférica, isto é, quando sua superfície refletora é parte de uma superfície esférica. Pode ser côncavo ou convexo, conforme a superfície refletora seja a interna (voltada para o centro da esfera) ou a externa respectivamente. Os espelhos esféricos atuam como lentes, podendo aumentar ou diminuir o tamanho das imagens.

Côncavos

Para os espelhos côncavos de Gauss, pode ser verificado que todos os raios luminosos que incidirem ao longo de uma direção paralela ao eixo secundário convergem para um mesmo ponto. Esse ponto é chamado de foco do espelho (f).

Convexos

Um espelho convexo é um espelho que se caracteriza fisicamente por apresentar a sua superfície esférica externa como face refletora. Os raios de luz incidentes nesse espelho refletem de forma divergente e tem seus prolongamentos direcionados para o que se encontra no lado posterior do espelho. Assim, as imagens conjugadas por um objeto real, tem natureza virtual e seu tamanho é sempre menor em relação ao objeto sendo orientadas no mesmo sentido do objeto, portanto direitas.

Lentes

Lentes são instrumentos de ampla utilização, cuja intenção é desviar raios de luz. Sua forma e seu índice de refração determinarão o comportamento desta, que, em geral, é apenas determinado por seu formato, pois seu índice de refração, na grande maioria dos casos, é maior do que o ar - ambiente em que a lente geralmente está imersa. As que estudamos são convergentes e divergentes.

Lentes Convergentes

Toda lente convergente possui dois focos. Se as duas faces estiverem emersas no mesmo meio, os dois focos serão equidistantes da lente e as duas distâncias focais serão iguais. O ponto, onde os raios são retratados, é o foco da lente; a distância, do foco à lente, é chamada de distância focal; O foco de uma lente convergente é real. Para indicar isso, sua distância focal recebe sinal positivo.

Quando a luz passa por uma lente convergente, a lente refrata a luz em direção aos eixos. Isso nos leva a quatro casos possíveis:

I) Se a luz está vem paralela, então a lente redireciona a luz para um único ponto, conhecido como foco;

II) Se a luz vem de um objeto que está longe do foco da lente, então a luz ainda é refratada num ponto e uma imagem real do objeto é formada nesse ponto;

III) Se a luz vem de um objeto que está entre o foco e a lente, então não há luz refratada em um ponto. Parte da lente que recebe a luz está divergindo tão rapidamente que se torna impossível focar a luz. No entanto a luz continua sendo divergida, mas a uma taxa menor. A luz divergente parece ter origem num ponto atrás da lente (do ponto de vista do observador). Uma imagem virtual é formada nesse ponto, apesar dessa imagem não poder ser projetada numa tela;

IV) Se a luz vem de um objeto localizado no foco da lente, então a luz não diverge nem converge e a imagem é formada numa linha paralela a lente.

Lentes Divergentes

Os prolongamentos dos raios retratados se encontram num ponto. A lente divergente também possui outro foco. Se duas faces estão no mesmo meio, as distâncias focais são iguais. Pelo foco de uma lente divergente, não passam raios luminosos. Ele é virtual. Para indicar que o foco de uma lente divergente é virtual, damos a sua distância focal sinal negativo. O caso mais comum é o que a lente tem índice de refração (n2) maior que o índice de refração do meio externo (n1). Nesse caso, um exemplo de lente com comportamento divergente é o de uma lente bicôncava (com bordas espessas):

Desenvolvimento Experimental

Experimento 1:

O primeiro experimento que realizamos consistia em calcular o foco experimental de um espelho e de duas lentes e compará-lo ao valor do foco teórico. Para tanto, usamos uma bancada graduada em centímetros e colocada uma fonte de luz focalizada em um anteparo com um rasgo em forma de F. A uma distância p foi adaptado um espelho. Medimos a distância da imagem i, com o auxílio de um anteparo onde a imagem formada era a mais nítida. A altura real do objeto era de 3 cm (hO = 3cm).

Para espelhos e lentes temos as seguintes relações entre a distância do objeto (p) e a distância da imagem (i):

1/p+1/i=1/f

Em que f é a distância focal.

A ampliação lateral (m), produzida